KR102085006B1 - 자가 발전 장치 - Google Patents

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KR102085006B1
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이성욱
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만도헬라일렉트로닉스(주)
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Abstract

본 발명의 자가 발전 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 자동차 바퀴의 회전에너지를 수집하여 전기에너지로 변환시키는 자가 발전 장치에 있어서, 상부가 사선 방향으로 경사진 경사면을 갖추고 자동차 바퀴의 림 외주면에 고정되어 상기 림과 함께 회전하는 하우징; 중심이 중공된 링 형태로 이루어져 상기 경사면에 고정되고, 코일이 구비된 지지체; 상기 지지체에 구비된 코일과 대향하도록 마련되는 마그네트를 구비하여 상기 지지체의 중공된 내부면을 따라 회전 가능하도록 상기 하우징에 설치되는 회전 조립체; 및 상기 코일에서 발생된 유도 기전력을 전기에너지로 저장하기 위한 전기 충전 모듈;을 포함하고, 상기 회전 조립체는 바퀴의 회전에 따른 위치 변화에 따라 중력 및 관성에 의한 회전력으로 회전되는 자가 발전 장치가 제공될 수 있다.

Description

자가 발전 장치{Self generating device}
본 발명은 자가 발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자기 유도 현상을 이용하여 바퀴의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 자가 발전 장치에 관한 것이다.
최근 차량내 전장부품에 사용되는 전자소자의 전력소모가 감소하면서 무선통신 활용성이 증가하고 있는 실정이다.
이러한 전자소자에 에너지(전원)를 공급하기 위하여 별도의 케이블 및 케이블과 차체 부품간의 간섭을 막기 위한 브라켓이나 밴드케이블 등의 추가 부품을 사용하여 하네스조립체 형태로 제작되어야 하지만, 무선통신 전자부품의 경우 전원공급을 위한 유한에너지를 가진 배터리를 이용하여 소자에 전원을 공급하고 있다.
예컨대, 타어어 공기압 모니터링 시스템(TPMS : Tire Pressure Monitoring System)의 경우 타이어의 압력과 온도를 감지한 뒤, 이 정보를 운전석으로 무선 전송하여 운전자가 실시간으로 타이어의 압력 상태를 점검할 수 있게 설계되어 있다.
그러나, 차량 주행 시에 타이어가 계속 돌아간다는 구조적인 문제로 인해 배터리에서의 유선방식충전이 쉽지 않기 때문에 배터리 수명에 따라 타이어 공기압 모니터링 시스템의 수명이 결정된다.
상기 문제를 해결하고자 차량 상태에 따라 신호주기를 달리하여 송신신호를 일정 간격으로 전송함으로써 배터리 수명을 늘리는 방안이 제시되었지만, 연속적인 정보를 얻는데 제한이 있으며, 이는 데이터값의 정밀도를 감소시키는 원인이 되고, 실시간 감시를 통한 안전성 향상에는 악영향을 주게 된다.
따라서, 별도의 충전장치를 두어 반영구적으로 전원을 제공하기 위한 자가 발전 장치의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에, 자가 발전 장치 중 차량내 부품과 접촉식으로 구동되는 접촉식 자가 발전 장치가 제시되었으나, 에너지 전환 효율이 떨어지며 오랜 사용에 따른 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 기존 부품과의 결합을 위한 구조 변경이나 가공이 필요하며, 이를 적용하기 위해서는 완성차 업체와 협의가 필요하기 때문에 설계 비용과 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 전자기 유도 현상을 이용한 비접촉식 자가 발전 장치가 제시되었으나, 구조가 복잡하고 특정 속도 구간에서만 발전이 되므로 에너지 변환 효율이 낮고 발전되는 전력량이 많지 않다는 단점이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 자가 발전 장치는 기존 부품의 구조 변경없이 적용가능하며, 에너지 변환 효율이 차량 운행속도에 정비례하지 않고 속도의 변화에 따라 효율이 증가하도록 이루어져 발전되는 전력량을 향상시킬 수 있도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 자동차 바퀴의 회전에너지를 수집하여 전기에너지로 변환시키는 자가 발전 장치에 있어서, 상부가 사선 방향으로 경사진 경사면을 갖추고 자동차 바퀴의 림 외주면에 고정되어 상기 림과 함께 회전하는 하우징; 중심이 중공된 링 형태로 이루어져 상기 경사면에 고정되고, 표면에 코일이 구비된 지지체; 상기 지지체에 구비된 코일과 대향하도록 마련되는 마그네트를 구비하여 상기 지지체의 중공된 내부면을 따라 회전 가능하도록 상기 하우징에 설치되는 회전 조립체; 및 상기 코일에서 발생된 유도 기전력을 전기에너지로 저장하기 위한 전기 충전 모듈;을 포함하고, 상기 회전 조립체는 바퀴의 회전에 따른 위치 변화에 따라 중력 및 관성에 의한 회전력으로 회전되는 자가 발전 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 하우징에는 상기 지지체의 가장자리가 안착되어 조립되도록 상기 경사면으로부터 요입된 안착면과, 상기 안착면으로부터 오목하게 파인 수용홈이 마련될 수 있다.
또한, 상기 안착면에는 소정 위치에 상측으로 돌출된 결합돌기가 마련되고, 상기 지지체에는 상기 결합돌기와 대응되는 위치에 상기 결합돌기가 끼워져 조립되도록 결합홈이 마련될 수 있다.
또한, 상기 수용홈의 중심에는 외측으로 돌출된 지지축이 마련될 수 있다.
또한, 상기 회전 조립체는, 상기 지지축이 삽입되도록 관통홀이 형성된 지지부와, 상기 지지부를 기준으로 소정 길이로 연장 형성된 스틱을 구비하는 회전체; 상기 스틱이 지지축을 기준으로 회전하도록 상기 지지부와 지지축 사이에 개재되는 베어링; 및 상기 스틱의 끝단부에 마련되어 상기 지지체에 구비된 코일과 일정간격 이격되어 대향하는 마그네트;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 마그네트는 서로 다른 극성이 상기 지지체의 일면과 타면에 각각 마련되도록 말굽 형태로 마련될 수 있다.
또한, 상기 하우징과 림의 외주면 사이에는 충격을 완충하기 위한 댐핑부재가 마련될 수 있다.
또한, 상기 코일은 상기 지지체의 표면에 실장되거나 복수회 권회되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치는 자동차 바퀴의 타이어 내에서 림에 부착됨으로써 기존 부품의 구조 변경없이 적용할 수 있으며, 타이어가 외부충격으로부터 보호하여 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 바퀴의 회전 시 위치 변화에 따른 중력 및 관성에 의한 회전력으로 회전됨으로써 에너지 변환 효율이 차량 운행속도에 정비례하지 않고 속도의 변화에 따라 효율이 증가하도록 이루어져 발전되는 전력량을 향상시킬 수 있다.
또한, 간단한 구조를 통하여 차종에 무관하게 접목시킬 수 있으며, 타이어 공기압 모니터링 시스템의 전원 공급원으로의 활용 뿐만 아니라 휠 스피드 센서(Wheel Speed Sensor) 및 기타 전장부품의 전원 공급원으로서의 활용이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명은 아래 도면들에 의해 구체적으로 설명될 것이지만, 이러한 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 것이므로 본 발명의 기술사상이 그 도면에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치가 바퀴의 림에 설치된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치가 바퀴의 타이어 내에 설치된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치의 조립 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치가 바퀴의 회전에 따라 작동되는 상태를 나타내는 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치가 바퀴의 림에 설치된 상태를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치가 바퀴의 타이어 내에 설치된 상태를 나타내는 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치의 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치의 조립 사시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전 장치의 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 자가 발전 장치(100)는 자동차 바퀴의 림(10)에 구비되어 림(10)과 함께 회전하는 하우징(110)과, 하우징(110)에 설치되며 코일(126)이 구비된 지지체(120)와, 상기 지지체(120)에 구비된 코일(126)과 대향하는 마그네트(136)가 구비된 회전 조립체(130) 및 상기 코일(126)에서 발생하는 유도 기전력을 전기에너지로 저장하기 위한 전기 충전 모듈(140)을 포함한다.
하우징(110)은 림(10)의 외면에 장착되어 림(10)과 함께 회전하도록 이루어진다. 이러한 하우징(110)은 림(10)에 설치되는 타이어(12)의 내부에 마련됨에 따라 타이어(12)를 통해 외부충격으로부터 보호되어 파손이 방지될 수 있다. 또한, 하우징(110)은 하부가 림(10)의 외측면과 대응되는 형상을 갖도록 성형되어 림(10)의 구조변경 없이 용이하게 장착될 수도 있다.
한편, 하우징(110)과 림(10)의 외주면 사이에는 충격을 완충하기 위한 댐핑부재(116)가 마련될 수 있다. 댐핑부재(116)는 고무재질로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 차량의 바퀴를 통한 충격이 댐핑부재(116)에 의하여 완충되어 하우징(110)에 설치되는 부품의 파손을 방지할 수 있다. 이 하우징(110)은 댐핑부재(116)와 함께 본딩, 용접 또는 별도의 볼트 등의 체결부재를 통하여 림(10)에 장착될 수 있다.
상기와 같은 하우징(110)은 상부면이 사선 방향으로 경사진 경사면(111)을 갖는다. 도시된 바에 따르면, 상부면은 지지체의 가장자리가 안착되어 조립되도록 경사면(111)으로부터 요입된 안착면(112)과, 상기 안착면(112)으로부터 오목하게 파인 수용홈(114)이 마련된다. 또한, 하우징(110)의 내부에는 전기 충전 모듈(140)이 마련되도록 소정 수용공간이 마련될 수 있다.
안착면(112)은 경사면(111)과 함께 사선 방향으로 형성된다. 이에, 안착면(112)에 조립된 지지체(120)는 사선 방향으로 배치된다. 이 안착면(112)에는 소정 위치에 상측으로 돌출된 결합돌기(113)가 마련된다. 또한, 지지체(120)에는 상기 결합돌기(113)와 대응되는 위치에 결합돌기(113)가 끼워져 조립되도록 결합홈(123)이 마련될 수 있다. 즉, 결합돌기(113)가 결합홈(123)에 끼움 결합됨에 따라 지지체(120)가 안착면(112)에 안착된 상태로 안정적으로 하우징(110)에 조립된 상태를 유지할 수 있게 된다.
수용홈(114)은 안착면(112)으로부터 하측으로 단차지도록 형성된다. 이 수용홈(114)은 후술할 회전 조립체(130)가 배치되도록 소정 공간을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 회전 조립체(130)가 수용홈(114) 내에서 회전할 수 있도록 원형 형상을 갖도록 이루지는 것이 바람직하다. 이 수용홈(114)의 바닥면에는 지지축(115)이 마련된다.
지지축(115)은 수용홈(114)의 중심에 위치되어 외측으로 돌출 형성된다. 지지축(115)은 회전 조립체(130)의 중심축 역할을 수행한다.
지지체(120)는 중심이 중공된 링 형태로 이루어져 경사면(111)에 고정된다. 전술한 바와 같이, 지지체(120)는 안착면(112)에 안착되어 결합돌기(113)와의 결합을 통해 하우징(110)에 조립된다. 이 지지체(120)는 표면 상에 마련되는 코일(126)을 구비된다.
코일(126)은 지지체(120)의 표면 즉, 도면을 기준으로 상면과 하면에 직접 실장될 수 있다. 또한, 코일(126)은 링 형상의 지지체(120)의 표면을 따라 복수회 권회되도록 형성될 수도 있다. 즉, 코일(126)은 후술할 회전 조립체(130)의 마그네트(136)에서 발생하는 자기장에 의하여 유도 기전력을 형성할 수 있다면, 지지체(120) 상에서 어떠한 형태로 마련되더라도 무방하다. 또한, 비록 도시되지는 않았으나, 코일을 지지하기 위한 별도의 부품 없이 코일만 하우징(110)에 설치할 수도 있다.
한편, 지지체(120)는 주변 부품과의 전기적 결합 및 무선통신 모듈로서의 활용을 위하여 각종 소자가 마련되는 인쇄회로기판으로 마련될 수 있다.
회전 조립체(130)는 수용홈(114) 내에 배치되며 지지축(115)을 기준으로 회전 가능하게 마련된다. 보다 구체적으로, 회전 조립체(130)는 상기 지지축(115)에 설치되는 회전체(131)와, 상기 회전체(131)와 지지축(115) 사이에 개재되는 베어링(135) 및 상기 회전체(131)에 마련되어 회전체(131)와 함께 회전하는 마그네트(136)를 구비한다.
회전체(131)는 지지축(115)이 삽입되도록 관통홀(133)이 형성된 지지부(132)와, 상기 지지부(132)를 기준으로 소정 길이로 연장 형성된 스틱(134)을 구비한다. 즉, 지지부(132)와 스틱(134)은 일체로 이루어져 지지부(132)와 지지축(115) 사이에 개재되는 베어링(135)에 의해 회전 가능하게 조립된다.
마그네트(136)는 스틱(134)의 끝단부에 마련되어 회전체(131)와 함께 회전한다. 마그네트(136)는 별도로 스틱(134)에 압입되어 조립되도록 마련거나 인서트 사출 성형에 의하여 회전체(131)와 일체로 마련될 수 있다. 이러한 마그네트(136)는 회전체(131)와 함께 지지축(115)에 조립된 상태에서 지지체(120)에 구비된 코일(126)과 대향하도록 마련될 수 있다. 또한, 마그네트(136)는 코일(126)과 일정간격 이격되어 대향하도록 마련된다. 도시된 바에 따르면, 마그네트(136)는 코일(126)이 형성된 위치에서 서로 다른 극성인 N극 및 S극이 지지체(120)의 일면과 타면에 각각 마련되도록 말굽 형태로 마련될 수 있다. 이러한 마그네트(136)로부터 자기장(자속)이 발생되며, 이 마그네트(136)가 회전체(131)와 함께 코일(126)이 구비된 지지체(120)의 원주 방향으로 회전함에 따라 코일(126)과 마그네트(136) 간에 상대운동이 발생하게 되면서 전자기 유도 현상에 의해 코일(126)에 전류가 발생하게 된다.
상기와 같이 코일(126)에서 발생된 유도 기전력을 전기에너지로 저장하기 위한 전기 충전 모듈(140)은 코일(126)에 연결되는 전기 충전 회로(미도시)와, 전기 충전 회로에서 발생된 전기에너지를 저장하는 저장 소자(미도시)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 전기 충전 회로는 코일(126)에서 발생된 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 정류기를 포함하여 이루어질 수 잇으며, 저장 소자는 전기에너지를 저장할 수 있는 소자로서, 충전지(rechargable battery) 또는 캐패시터(capacitor) 등이 사용될 수 있다. 이 전기 충전 모듈(140)은 하우징(110) 내에 배치되도록 마련될 수 있다.
한편, 자가 발전 장치(100)는 타이어 공기압 모니터링 시스템의 전원공급부로 사용될 수 있다.
즉, 일반적으로 TPMS는 타이어의 공기압을 감지하는 공기압 센서(pressure and temperature sensor)와, 상기 센서에서 감지된 신호를 자동차의 계기판(dashboard)으로 전달하는 무선송신부(RF transmitter)와, 상기 센서와 무선송신부에 전원을 공급하는 전원공급부(power source)를 포함하여 이루어지는데, TPMS는 상기 전원공급부를 본 발명에 따른 자가 발전 장치(100)로 대체하여 배터리의 교체 없이 지속적으로 전력 공급이 가능하도록 할 수 있다.
그러면, 상기와 같은 자가 발전 장치(100)가 바퀴의 회전에 따라 작동되는 상태에 대하여 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 도 6의 (a)에서와 같이, 림(10)에 설치된 자가 발전 장치(100)가 12시 방향으로 배치된 상태에서 회전 조립체(130)의 스틱(134)은 마그네트(136)와 함께 6시 방향에 위치한다. 이는 회전 조립체(130)가 하우징(110)의 경사면(111)에서 사선 방향으로 설치됨에 따라 중력의 영향을 받기 때문이다.
다음으로, 바퀴가 화살표 A 방향으로 회전할 경우 림(10)과 함께 하우징(110)이 회전한다. 예컨대, 도 6의 (b)와 같이, 자가 발전 장치(100)가 9시 방향으로 이동될 경우 회전 조립체(130)의 스틱(134)은 중력에 의해 6시 방향에 배치된다. 즉, 회전 조립체(130)는 지지축(115)을 중심축으로 실질적으로 90° 회전한 상태가 된다.
이어서, 도 6의 (c)와 같이, 바퀴가 화살표 A 방향으로 회전되어 자가 발전 장치(100)가 6시 방향으로 이동되면 회전 조립체(130)의 스틱(134)은 여전히 중력에 의해 6시 방향에 배치된다. 즉, 회전 조립체(130)는 지지축(115)을 중심으로 실질적으로 180° 회전한 상태가 된다.
계속해서, 도 6의 (d)와 같이, 바퀴가 회전하면 자가 발전 장치(100)는 3시 방향으로 이동되고, 회전 조립체(130)의 스틱(134)은 중력의 영향에 의해 6시 방향에 배치되며 지지축(115)을 중심으로 실질적으로 270° 회전한 상태가 된다.
이와 같이, 바퀴의 회전에 따라 회전 조립체(130)는 지지축(115)을 중심으로 360°회전하게 된다. 즉, 도 6의 (a)에서 (d)의 방향으로 반복적으로 회전하게 된다. 이러한 회전 조립체(130)의 회전은 바퀴의 회전에 따른 위치 변화에 따라 중력에 의한 회전력과 함께 관서에 의한 회전력이 더해져 회전된다. 이에 따라 마그네트(136)에 의해 형성된 자계가 변하여 코일(126)에 전류가 흐르게 된다. 코일(126)에서 발생한 전기는 충전기나 커패시터를 구비한 전기 충전 모듈(140)에 의해 저장되었다가 필요 시 차량의 타이어 정보 기반 안전제어 시스템에 공급될 수 있다.
한편, 차량의 주행 시 정속 주행보다는 속도 변화가 빈번하게 발생하는데, 본 발명에 따른 자가 발전 장치는 차량 운행속도에 정비례하지 않고 속도의 변화에 따라 효율이 증가하도록 이루어짐으로써 발전되는 전력량을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 림 12 : 타이어
100 : 자가 발전 장치 110 : 하우징
111 : 경사면 115 : 지지축
120 : 지지체 126 : 코일
130 : 회전 조립체 131 : 회전체
134 : 스틱 135 : 베어링
136 : 마그네트 140 : 전기 충전 모듈

Claims (8)

  1. 자동차 바퀴의 회전에너지를 수집하여 전기에너지로 변환시키는 자가 발전 장치에 있어서,
    상부가 사선 방향으로 경사진 경사면을 갖추고 자동차 바퀴의 림 외주면에 고정되어 상기 림과 함께 회전하는 하우징;
    중심이 중공된 링 형태로 이루어져 상기 경사면에 고정되고, 표면에 코일이 구비된 지지체;
    상기 지지체에 구비된 코일과 일정간격 이격되어 대향하도록 마련되는 마그네트를 구비하여 상기 지지체의 중공된 내부면을 따라 회전 가능하도록 상기 하우징에 설치되는 회전 조립체; 및
    상기 코일에서 발생된 유도 기전력을 전기에너지로 저장하기 위한 전기 충전 모듈;을 포함하고,
    상기 회전 조립체는 바퀴의 회전에 따른 위치 변화에 따라 중력 및 관성에 의한 회전력으로 회전되며,
    상기 마그네트는 서로 다른 극성이 상기 지지체의 일면과 타면에 각각 마련되도록 말굽 형태로 마련되는 자가 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징에는 상기 지지체의 가장자리가 안착되어 조립되도록 상기 경사면으로부터 요입된 안착면과, 상기 안착면으로부터 오목하게 파인 수용홈이 마련되는 자가 발전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 안착면에는 소정 위치에 상측으로 돌출된 결합돌기가 마련되고, 상기 지지체에는 상기 결합돌기와 대응되는 위치에 상기 결합돌기가 끼워져 조립되도록 결합홈이 마련되는 자가 발전 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 수용홈의 중심에는 외측으로 돌출된 지지축이 마련되는 자가 발전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전 조립체는,
    상기 지지축이 삽입되도록 관통홀이 형성된 지지부와, 상기 지지부를 기준으로 소정 길이로 연장 형성된 스틱을 구비하는 회전체;
    상기 스틱이 지지축을 기준으로 회전하도록 상기 지지부와 지지축 사이에 개재되는 베어링; 및
    상기 스틱의 끝단부에 마련되는 마그네트;를 포함하는 자가 발전 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하우징과 림의 외주면 사이에는 충격을 완충하기 위한 댐핑부재가 마련되는 자가 발전 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코일은 상기 지지체의 표면에 실장되거나 복수회 권회되어 형성되는 자가 발전 장치.
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